L’elettricità e le centrali idroelettriche

1. L’elettricità ele centrali idroelettriche di Luca Bartolomei, Silvano Baroni e Lucia Ghignone classe III E anno scolastico 2006 / ’07

2. 1. Che cos’è l’elettricità ELETTRICITÀ: proprietà fondamentale della materia, che si manifesta con fenomeni di attrazione o di repulsione tra corpi dotati di carica elettrica. A livello microscopico tali fenomeni sono riconducibili alle particelle cariche dell'atomo: i protoni nel nucleo, spesso interessati da soli fenomeni stazionari; e gli elettroni che, avendo maggiore mobilità, danno luogo anche a correnti. Più in generale, con ELETTRICITA’ si intende l'insieme dei fenomeni fisico-chimici causati dalle interazioni tra queste particelle. Luca - Silvano - Lucia - 2007

3. Gli esperimenti dimostrano che vi sono due diversi tipi di carica elettrica. Il primo di questi è denominato carica positiva o carica +, ed è associato ai nuclei degli atomi di tutte le materie. Il secondo è la carica negativa o -, ed è proprio di tutti gli elettroni che circondano il nucleo dell'atomo. In genere, la carica positiva del nucleo è esattamente uguale alla somma delle cariche negative degli elettroni che lo circondano. Luca - Silvano - Lucia - 2007

4. I corpi con una carica elettrica possono sia attrarsi sia respingersi l'un l'altro. Il verso delle forze che agiscono tra gli oggetti aventi una carica elettrica, dipende dal tipo di carica di questi oggetti. Ad esempio, se due oggetti hanno lo stesso tipo di carica, siano entrambi positivi o entrambi negativi, gli oggetti si respingono. Quando i due oggetti hanno carica opposta, essi si attraggono l'uno con l'altro. Questa è una proprietà della forza elettromagnetica. Questa forza elettrica d'attrazione, tra i nuclei positivi e gli elettroni negativi, lega questi ultimi al nucleo. In un certo senso, l'elettricità tiene insieme il mondo. Luca - Silvano - Lucia - 2007

5. L'elettricità è responsabile di ben noti fenomeni fisici: il fulmine; il campo elettrico; la corrente elettrica (con cui è comunemente confusa). e rappresenta l'elemento essenziale di alcune applicazioni industriali come l'elettronica. circuito elettronico elettricità naturale: il FULMINE componente elettronico: transistor Luca - Silvano - Lucia - 2007

6. 2. Isolanti e conduttori Alcuni corpi, che si elettrizzano per strofino,conservano per qualche tempo le cariche elettriche nel punto in cui esse si sono addensate; questi corpi si dicono isolanti. Negli isolanti le cariche elettriche si muovono con grande difficoltà. Altri corpi, invece, dopo essere stati elettrizzati disperdono le cariche elettriche su tutta lo loro superficie e tendono a ritornare rapidamente allo stato neutro ( n° protoni= n° elettroni). Questi si dicono conduttori. Nei conduttori le cariche elettriche si muovono liberamente. Un corpo è isolante o conduttore a seconda del materiale che lo costituisce. Luca - Silvano - Lucia - 2007

7. 3. La corrente elettrica Affinché delle cariche elettriche passino attraverso un conduttore generando così il passaggio della corrente elettrica, è necessario che agli estremi del conduttore vi siano due differenti “livelli elettrici”. Il “dislivello elettrico” fra i due estremi considerati, si chiama differenza di potenziale o tensione. Essa viene misurata mediante un apparecchio, il voltmetro ed espressa in Volt (V), dal nome dello scienziato A. Volta. Per esempio, la tensione nelle nostre case è di circa 220 V. La quantità di elettroni (q) che nell’unità di tempo (t) attraversa un conduttore rappresenta l’intensità della corrente (I). I = q : t Ovvero: Intensità = quantità elettroni : tempo Essa viene misurata dall’ amperometro e viene espressa in ampere (A). amperometro Luca - Silvano - Lucia - 2007

8. 4. Le leggi di Ohm Il passaggio della corrente elettrica attraverso un conduttore incontra una certa resistenza (R) , la cui unità di misura è l’ohm. Mentre i conduttori offrono scarsa R, gli isolanti ne offrono molta. La Prima Legge di Ohm: in un circuito elettrico l’intensità di corrente è direttamente proporzionale alla differenza di potenziale. CIOE’: I = V : R V = I x R La seconda Legge di Ohm: • R è direttamente proporzionale alla lunghezza del filo (filo lungo = R maggiore ) • R è inversamente proporzionale alla sezione (filo con diametro minore = R maggiore) CIOE’: R = p x l : s con: p = valore variabile a seconda del conduttore l = lunghezza filo s = sezione filo Georg Simon Ohm Luca - Silvano - Lucia - 2007

9. 5. Potenza ed energia: effetto Joule La grandezza che indica l’energia libera in ogni unità di tempo è la potenza P, misurata in watt (W), essa è data dal prodotto tensione (differenza di potenziale) per l’intensità della corrente. CIOE’: P = V x I Spesso la potenza elettrica viene espressa in kilowatt: 1 kW = 1000 W oppure in megawatt: 1 MW = 1.000.000 W = 1000 kW Luca - Silvano - Lucia - 2007

10. L’energia elettrica può essere trasformata anche in altre forme, ad esempio in energia termica. Questo fenomeno si chiama effetto joule. Applicando la legge di Ohm si riconosce facilmente che la potenza liberata in un conduttore per effetto Joule si può esprimere anche come il prodotto della resistenza per il quadrato della corrente. CIOE’: P = V x I = (I x R) x I = I2 x R Oppure come il rapporto tra il quadrato della tensione e la resistenza elettrica: P = V x I = V x V/R = V2 / R L’energia E liberata viene misurata con in kilowattora (E): E = P (kW) x t (ore) t= tempo Luca - Silvano - Lucia - 2007

11. 6. Le centrali idroelettriche Centrale idroelettrica La centrale idroelettrica trasforma l'energia idraulica di un corso d'acqua, naturale o artificiale, in energia elettrica. Lo schema funzionale comprende l'opera di sbarramento (diga), che intercetta il corso d'acqua creando un invaso ( bacino), dove viene tenuto un livello pressoché costante dell'acqua. Attraverso canali e gallerie di derivazione l'acqua viene convogliata in vasche di carico e, mediante condotte forzate, nelle turbine attraverso valvole di immissione (di sicurezza) e organi di regolazione della portata (distributori) secondo la domanda d'energia. Luca - Silvano - Lucia - 2007

12. Schema di una centrale di generazione e pompaggio: Luca - Silvano - Lucia - 2007

13. Funzionamento della centrale L'acqua, cadendo, viene incanalata nelle condotte forzate.La condotta forzata è una tubazione di grosse dimensioni che trasporta l'acqua in uscita dalla diga alla turbina con lo scopo di farla girare trasformando, grazie all'alternatore, energia cinetica in energia elettrica. Dopo avere messo azione le turbine , l’acqua ne esce finendo nel canale di scarico attraverso il quale viene restituita al fiume. Direttamente collegato alla turbina, secondo una disposizione ad asse verticale o ad asse orizzontale, e' montatol'alternatore, che e' una macchina elettrica rotante in grado di trasformare in energia elettrica l'energia meccanica ricevuta dalla turbina. Luca - Silvano - Lucia - 2007

14. L'energia elettrica cosi' ottenuta deve essere trasformata per poter essere trasmessa a grande distanza. Pertanto prima di essere convogliata nelle linee di trasmissione, l'energia elettrica passa attraverso il trasformatore che abbassa l'intensita' della corrente prodotta dall'alternatore, elevandone pero' la tensione a migliaia di Volts. Giunta sul luogo di impiego, prima di essere utilizzata, l'energia passa di nuovo in un trasformatore che, questa volta, alza l'intensita' di corrente ed abbassa la tensione così da renderla adatta agli usi domestici. L’elettricità parte con 20.000 V, per arrivare alle case con un valore con 220 V e alle industrie con 11.000V. Luca - Silvano - Lucia - 2007

15. Il percorso dell’elettricità: Luca - Silvano - Lucia - 2007

16. 7. Energia cinetica e potenziale Esistono due forme principali di energia meccanica: l'energia potenziale e l'energia cinetica (o di movimento). L'energia potenziale dipende dall'altezza che un corpo ha rispetto al suolo Ep= m x g x hcon: m= massa; g= accelerazione di gravità (9,8 m/s2); h= altezza rispetto al suolo. Energia cinetica: quella che ha un corpo quando si muove. Ec= ½ mv2 con: v= velocità del corpo; m= massa Energia potenziale: Energia che un corpo possiede ma che non “usa”. Luca - Silvano - Lucia - 2007

17. Se il corpo si muove verso il suolo, progressivamente l'energia potenziale si trasforma in energia cinetica. Per esempio, l'acqua che si trova sulla sommità di una cascata possiede energia potenziale; via via che l'acqua precipita, l'energia si trasforma da potenziale in cinetica (una parte, ovviamente, sarà dissipata sotto forma di calore). Questa energia può essere trasformata in energia elettrica mediante una turbina nelle centrali idroelettriche. Principio di conservazione dell’energia: L’energia di un sistema non svanisce e non si crea dal nulla, ma si trasforma (Ep Ec). Luca - Silvano - Lucia - 2007

18. 8. La turbina idraulica Una turbina idraulica e' essenzialmente costituita da un organo fisso, il distributore, e da uno mobile, la ruota o girante. Il primo indirizza e regola il flusso d'acqua, la seconda trasferisce all'albero su cui e' montata, l'energia cinetica sottratta all'acqua. Dal punto di vista costruttivo si hanno 3 diversi tipi di Turbine: • Pelton: costituite da un distributore a "spina" e una girante a "cucchiai" che vengono investiti dal flusso d'acqua che gli conferisce il moto; • Francis: costituite da un distributore a spirale, a pale orientabili, che avvolge la girante, a pale fisse, che viene investita dall'acqua in uscita dal distributore; • Kaplan: costituite da un distributore a spirale, a pale orientabili, che avvolge la girante, a pale orientabili, che viene investita dall'acqua in uscita dal distributore.La scelta dei diversi tipi di turbine viene effettuata in base al salto e alla portata d'acqua disponibili. Luca - Silvano - Lucia - 2007

19. Esempi di turbine: Turbina Francis Turbina Peltom Turbina Caplan Luca - Silvano - Lucia - 2007

20. 9. Le condotte forzate Le condotte forzate sono generalmente costituite da tubazioni metalliche in lamiera d'acciaio o in calcestruzzo armato. Sono munite in testa di organi di chiusura e sicurezza (in genere valvole a farfalla) ed al piede di organi di intercettazione (valvole rotative o a farfalla) di sicurezza delle turbine, a valle delle quali sono installati gli organi di regolazione (distributori di turbina) direttamente connessi alle stesse turbine. Luca - Silvano - Lucia - 2007

21. 10. L’alternatore È una macchina elettrica che trasforma l’energia meccanica, fornita dalle turbine idrauliche, in energia elettrica a corrente alternata. L'alternatore e' un generatore di corrente elettrica. È costituito da due parti fondamentali, una fissa e l'altra rotante, dette rispettivamente statore e rotore, su cui sono disposti avvolgimenti di rame isolati. I due avvolgimenti si dicono induttore (sul rotore) e indotto (sullo statore). Luca - Silvano - Lucia - 2007

22. 11. Il trasformatore Non è possibile trasportare l'energia elettrica così come viene prodotta nelle centrali: ciò richiederebbe enormi sezioni per i conduttori e si avrebbero grandi perdite di energia. Il trasformatore serve ad alzare il voltaggio della corrente in uscita dall'alternatore per evitare eccessive perdite di energia elettrica sulla linea. Per creare una differenza di potenziale tra la centrale e i luoghi di utilizzo si usa il trasformatore: e' una macchina elettrica atta a trasferire, sfruttando il fenomeno dell'induzione elettromagnetica, energia elettrica a corrente alternata da un circuito a un altro modificandone le caratteristiche. Schematicamente un trasformatore e' costituito da due avvolgimenti, ciascuno formato da un certo numero di spire di filo di rame avvolte attorno a un nucleo di ferro di elevata permeabilità magnetica,dei quali uno riceve energia dalla linea di alimentazione, mentre l'altro e' collegato ai circuiti di utilizzazione. Luca - Silvano - Lucia - 2007

23. INDUZIONE ELETTROMAGNETICA: Il passaggio di corrente elettrica in un filo conduttore crea un campo magnetico. È possibile anche il fenomeno inverso: un campo magnetico variabile genera una corrente elettrica in un circuito chiuso posto nelle sue vicinanze. Questa corrente elettrica si dice corrente elettrica indotta. La corrente generata per induzione elettromagnetica è corrente elettrica alternata. Luca - Silvano - Lucia - 2007